往復(fù)式割刀切割負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

代秀峰，向 陽(yáng)，龍振寰

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

1 前言

切割秸稈是聯(lián)合收割機(jī)在田間作業(yè)的重要工序，切割性能直接影響收割效率和田間籽粒損失率[1]。在實(shí)際作業(yè)過程中，由于田間作業(yè)條件復(fù)雜多變，操作機(jī)手需要判斷收割機(jī)的負(fù)荷情況并隨時(shí)調(diào)整收割機(jī)速度等工作參數(shù)。這對(duì)機(jī)手的經(jīng)驗(yàn)提出了較高的要求，即便是操作熟練的機(jī)手也難以對(duì)切割負(fù)荷做出準(zhǔn)確判斷。

智能化、自動(dòng)化和通用化是聯(lián)合收割機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。國(guó)外對(duì)聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合收割機(jī)[3]。德國(guó)CLAAS公司將CEBIS信息顯示系統(tǒng)應(yīng)用于JAGUAR800系列的收割機(jī)，這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)κ崭顧C(jī)關(guān)鍵部件的狀態(tài)進(jìn)行信息采集、數(shù)據(jù)保存和智能化控制[4]。日本久保田公司采用定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子傳感技術(shù)和遙感測(cè)控系統(tǒng)等，研制出了聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，將這套裝置應(yīng)用于聯(lián)合收割機(jī)并推廣使用。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷等相關(guān)技術(shù)開展了研究，并取得了一些突破[5]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)謝蓓、尹文慶等基于CAN總線技術(shù)研制了聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)收割機(jī)前進(jìn)速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速、谷物損失率和喂入量等工作參數(shù)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示[6]。南通大學(xué)季彬彬、楊玉萍等利用 GPS技術(shù)測(cè)量聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過程中機(jī)器的前進(jìn)位移，并利用超聲波測(cè)距儀測(cè)量收割機(jī)的實(shí)際割幅，從而通過計(jì)算收割面積實(shí)現(xiàn)智能測(cè)產(chǎn)功能[7]。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)侯佳林等利用STM32單片機(jī)研制了小麥秸稈往復(fù)式切割試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)切割試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析影響切割性能的主次因子[8]，但未能在實(shí)際的聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

筆者提出了一種往復(fù)式割刀切割負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有助于操作機(jī)手實(shí)時(shí)掌握切割負(fù)荷和聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)，有助于保持聯(lián)合收割機(jī)良好的切割負(fù)荷條件，從而有效解決割刀堵塞問題并降低作業(yè)功耗。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用的DYLY-103型高精度拉壓力傳感器的結(jié)構(gòu)形式為S型，量程為100kg，精度為0.03%。

為準(zhǔn)確、直接測(cè)量切割負(fù)荷，將往復(fù)式切割器動(dòng)刀桿從驅(qū)動(dòng)端切斷并用拉壓力傳感器將切斷后的兩部分重新連接起來，實(shí)際安裝效果如圖2所示。

拉壓力傳感器屬于電阻應(yīng)變式傳感器，輸出信號(hào)是非常微弱的電阻值變化，為保證數(shù)據(jù)測(cè)量精度，選用DY510型專用重量信號(hào)變送器，其綜合精度為0.05%。為減少信號(hào)傳輸過程受到干擾，將信號(hào)變送器安裝在靠近拉壓力傳感器的位置，同時(shí)輸出信號(hào)選擇具有更強(qiáng)抗干擾性能、更適合較遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?～20mA電流信號(hào)。由于單片機(jī)只能對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，因此在單片機(jī)信號(hào)輸入端設(shè)置電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換模塊，將4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.3V電壓信號(hào)。

選擇的STM32C8T6型單片機(jī)是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，具有硬件資源豐富和容易二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低功耗、性價(jià)比高的小型控制系統(tǒng)中[9]，完全滿足本系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)算性能的需求。同時(shí)STM32F103系列單片機(jī)自帶3個(gè)ADC，精度為12位，每個(gè)ADC最多有16個(gè)外部通道，可直接將變換后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并處理分析，為本系統(tǒng)的研發(fā)提供了便利。

采用的LCD1602液晶顯示屏可顯示2行、每行16個(gè)字符的數(shù)據(jù)，便于用戶實(shí)時(shí)查看切割負(fù)荷的數(shù)據(jù)。同時(shí)，設(shè)置一個(gè)有源電子蜂鳴器作為報(bào)警器，用于在負(fù)荷超過設(shè)定值時(shí)主動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提醒用戶做出相應(yīng)處理。設(shè)置了“菜單”、“上移”、“下移”、“確認(rèn)”共4個(gè)按鍵，利用LCD1602顯示屏通過菜單顯示與設(shè)置系統(tǒng)配置參數(shù)。為進(jìn)一步深入分析研究數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)自帶串行通信口發(fā)送出去，以便數(shù)據(jù)采集裝置采集數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于田間切割作業(yè)情況復(fù)雜多變，往復(fù)式割刀工作時(shí)所承載的負(fù)荷為典型的隨機(jī)載荷。針對(duì)往復(fù)式割刀切割負(fù)荷的特點(diǎn)，筆者采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)割刀負(fù)荷情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，重點(diǎn)對(duì)切割負(fù)荷的均值與峰值進(jìn)行計(jì)算與監(jiān)測(cè)。其中均值為最近2秒時(shí)間內(nèi)所采集的拉壓力采樣值的絕對(duì)值的平均值，峰值為開機(jī)或上次解除報(bào)警以來至當(dāng)前時(shí)間內(nèi)拉壓力采樣值的絕對(duì)值的最大值。

設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件流程如圖3所示，圖中左邊為主程序流程，右邊為定時(shí)中斷程序流程。

切割負(fù)荷的采樣與計(jì)算功能均采用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)，定時(shí)周期為10ms。定時(shí)中斷程序觸發(fā)后，系統(tǒng)首先調(diào)用ADC采樣程序讀取指定通道的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的拉壓力數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用讀取到的新的拉壓力數(shù)據(jù)重新計(jì)算切割負(fù)荷均值與峰值。為計(jì)算最近2秒時(shí)間內(nèi)拉壓力采樣值的均值，在內(nèi)存中設(shè)置200個(gè)整型變量用于保存最近200次采樣數(shù)據(jù)，每次采集到新數(shù)據(jù)時(shí)更新采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的整型變量?jī)?nèi)容并將采樣點(diǎn)數(shù)加1，如采樣點(diǎn)數(shù)到達(dá)200則重新將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為0。為實(shí)時(shí)更新峰值數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中設(shè)置一個(gè)峰值數(shù)據(jù)整型變量用于保存當(dāng)前峰值數(shù)據(jù)，每新采集到一個(gè)數(shù)據(jù)均和當(dāng)前峰值數(shù)據(jù)做比較，如該數(shù)據(jù)大于當(dāng)前峰值數(shù)據(jù)則將其作為當(dāng)前峰值數(shù)據(jù)。在重新開機(jī)或用戶清零操作時(shí)，當(dāng)前峰值數(shù)據(jù)被重新設(shè)置為0。雖然切割負(fù)荷均值和峰值均采用實(shí)時(shí)更新方式，但為保證數(shù)據(jù)顯示的穩(wěn)定性和良好的用戶使用體驗(yàn)，顯示屏刷新顯示的周期被設(shè)置為2s。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將本系統(tǒng)安裝在碧浪4LZY-1.2履帶自走式聯(lián)合收割機(jī)上，啟動(dòng)收割機(jī)，通過人工將部分秸稈放入往復(fù)式割刀工作區(qū)域，觀察顯示屏的數(shù)據(jù)，并使用筆記本電腦和串口調(diào)試軟件記錄由本系統(tǒng)串口發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，截取其中一段時(shí)長(zhǎng)5s的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顯示屏顯示數(shù)據(jù)清晰、穩(wěn)定，所采集的數(shù)據(jù)能充分體現(xiàn)切割工作特性變化規(guī)律，顯示屏顯示數(shù)據(jù)范圍與記錄數(shù)據(jù)一致。

5 結(jié)束語

基于拉壓力傳感器和STM32單片機(jī)研制的一套往復(fù)式割刀切割負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可安裝在采用往復(fù)式割刀的收割機(jī)上，對(duì)切割負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，并在負(fù)荷超過設(shè)定值時(shí)主動(dòng)發(fā)出報(bào)警。該系統(tǒng)為操作機(jī)手實(shí)時(shí)掌握切割負(fù)荷、使收割機(jī)在最佳負(fù)荷狀態(tài)下工作提供了極大的便利，有利于提高收割機(jī)的能量利用效率、減少超負(fù)荷情況的發(fā)生，并有利于降低對(duì)操作機(jī)手經(jīng)驗(yàn)的要求。

由于切割負(fù)荷與收獲喂入量以及后續(xù)的輸送、脫粒、清選等作業(yè)環(huán)節(jié)有著密切的關(guān)系，本系統(tǒng)的研究也為進(jìn)一步深入研究聯(lián)合收割機(jī)的綜合負(fù)荷和工作狀態(tài)提供了參考。另外，本系統(tǒng)預(yù)留了通用串行通訊口用于實(shí)時(shí)輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)，可方便聯(lián)接相應(yīng)的自動(dòng)控制裝備或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)收割機(jī)無人駕駛自動(dòng)作業(yè)以及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供了良好的裝備基礎(chǔ)。

筆者僅針對(duì)收割機(jī)切割負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件算法，相關(guān)數(shù)據(jù)分布規(guī)律和往復(fù)式割刀切割特性等有待進(jìn)一步研究。